Методическая разработка "Колебательный контур в цепи переменного тока" 11 класс


Министерство образования РФ.
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Гимназия №2».
Сценарий урока физики в 11 классе с использованием обучающей
компьютерной программы «Основы электроники» (Алма-Аты, 2000 г.)
«Колебательный контур в цепи переменного тока».
Профильный уровень
Автор: Львова Т. В.,
учитель физики высшей категории
Соликамск. 2013 г.
Пояснительная записка.
Урок изучения нового материала в 11-ом классе по программе В.А.Касьянова.
Время и место проведения урока: 10.12.2013., МАОУ «Гимназия №2» г. Соликамска.
Обучающая компьютерная программа «Основы электроники» (Алма-Аты,2000 г.)
является электронным конструктором, позволяющим имитировать на экране монитора
процессы сборки электрических цепей, исследовать особенности их работы, производить
измерения физических величин так, как это делается в реальном физическом
эксперименте.
Цель урока: закрепить представление о вынужденных электромагнитных колебаниях,
получить теоретически условие резонанса в колебательной системе и наблюдать данное
явление (с помощью ЦОР «Основы электроники»).
Образовательные задачи:
Повторить понятие сдвига фаз и его значения в колебаниях напряжения на
участках цепи переменного тока с активным, ёмкостным и индуктивным
сопротивлениями.
С помощью метода векторных диаграмм получить уравнение для расчёта
напряжения, приложенного к колебательному контуру, и его полного
сопротивления переменному току.
Закрепить умение проводить аналогии механических и электромагнитных
колебаний и делать соответствующие выводы.
Получить аналитическим методом условие резонанса в цепи переменного тока с
колебательным контуром.
Познакомиться с использованием явления резонанса в радиотехнике.
Продолжить формирование умения строить векторные диаграммы для цепей с
различными видами сопротивлений.
Развивать навыки работы с современными электроизмерительными приборами –
мультиметром и двухканальным осциллографом c помощью КОП «Основы
электроники».
Формировать умение рассчитывать электрические цепи с учётом параметров их
отдельных элементов (номинала деталей).
Предварительная работа.
На предыдущем уроке необходимо познакомить учащихся с КОП «Основы электроники»,
если ранее они были с ней не знакомы. Это можно сделать и на уроке информатики по
договорённости с учителем. Отдельная и очень важная часть этого урока – приобретение
навыков работы с двухканальным осциллографом.
Дидактическая структура урока.
Этап урока, его
основные задачи
и отводимое на
него время.
Деятельность учителя.
Деятельность учащихся.
1.Целеполагание.
Повышение
мотивации.
Активизация
знаний.
10 мин.
Подведение учащихся к постановке
цели урока: ранее рассматривали
цепи переменного тока только с
одним из видов сопротивлений. Но
существуют ли реально такие цепи?
Например, соленоид обладает не
только активным, но и ёмкостным
сопротивлениями. Колебательный
контур по сути – это цепь с
последовательно включёнными
активным, ёмкостным и
индуктивным сопротивлениями.
Учитывая, что переменный ток
представляет собой вынужденные
электромагнитные колебания,
возникает вопрос о возможности
возникновения и условии резонанса
в цепи, содержащей колебательный
контур.
Оценить правильности ваших
ответов мы сможем с помощью
обучающей компьютерной
программы «Основы электроники».
1). Убедимся прежде всего в том,
что при последовательном
соединении участков цепи с
активным, индуктивным и
ёмкостным сопротивлениями сила
тока будет одинакова. Для этого
воспользуемся электрической
цепью, показанной на экране, и
измерим напряжение на каждом из
участков с помощью мультиметров.
2). На экране двухканального
осциллографа вы видите два
графика напряжения (рис.2) Первый
из них получен путём соединения
зажимов канала А осциллографа с
выводами резистора. Зажимы канала
В соединены с другим участком
цепи. Каков сдвиг фаз колебаний?
Самостоятельная постановка цели
урока и её конкретизация.
Формулировка задач отдельных
этапов урока: убедиться, что при
последовательном соединении на
различных участках цепи
переменного тока сила тока, как и в
цепи с постоянным током, одинакова:
научиться рассчитывать напряжение
и сопротивление цепи переменного
тока с различными видами
сопротивлений; выяснить условие
резонанса в такой цепи.
В целях активизации знаний ответить
на вопросы:
1) как определяются сила тока и
напряжение при последовательном
соединении участков цепи?
По показаниям двух мультиметров
(рис.1), зажимы которых соединены
вначале с резистором и
конденсатором, а затем и с катушкой,
рассчитать силу тока на этих
участках, зная параметры деталей
схемы: R=200 Ом, С=10мкФ,L=1Гн.
2) каков сдвиг фаз в колебаниях силы
тока и напряжения в цепях с
активным, ёмкостным и индуктивным
сопротивлениями?
Как по графикам зависимости
напряжения от времени,
соответствующим участкам цепи с
названным и неизвестным видами
2. Изучение
нового
материала –
получение
расчётных
формул для
общего
напряжения и
полного
сопротивления
цепи
переменного
тока.
Закрепление –
проверка
полученных
результатов с
помощью КОП
«Основы
электроники».
3.Изучение
явления
резонанса в цепи
переменного
тока с
колебательным
контуром.
Сделайте вывод о характере
сопротивления этого участка.
Перенесём зажимы канала А к
выводам катушки индуктивности.
Каков должен быть при этом сдвиг
фаз колебаний напряжения? Если
напряжение на ёмкости отстаёт от
напряжения на резисторе па фазе на
половину π, а напряжение на
катушке опережает напряжение на
резисторе на эту же величину, то
какова разность фаз колебаний
напряжения на ёмкости и
индуктивности? Действительно, они
колеблются в противофазе, и в этом
можно убедиться, посмотрев на
экран осциллографа. (рис.3).
Вспомним правила построения
векторных диаграмм, изобразим на
одной диаграмме колебания
напряжения на активном,
индуктивном и ёмкостном
сопротивлениях (считаем для
определённости амплитуду
U (С) > U (L)).
Получили, что мгновенное значение
общего напряжения имеет сдвиг фаз
относительно напряжения на
резисторе:
u=Ucos(wt+φ);
tg φ=(wL-1/(wC))/R
Проведение аналогий между
механическими и
электромагнитными колебаниями.
Постановка задачи: путём анализа
полученной формулы для общего
сопротивления сформулировать
условие резкого возрастания силы
тока в цепи переменного тока.
сопротивления, определить вид
сопротивления неназванного участка?
График зависимости тока от времени
дан рядом.
Подтвердить свой ответ построением
векторной диаграммы. Правильность
построения затем проверяется на
доске.
Последовательно выполнять действия
с компьютерной программой, которые
перечисляются учителем. Определить
сдвиг фаз колебаний напряжения
вначале на активном и ёмкостном, а
затем на активном и индуктивном
сопротивлениях. С учётом временной
развёртки определить сдвиг
колебаний в долях периода.
Построить векторную диаграмму,
объяснить.
Выполнить задание: сложить
колебания напряжений на всех трёх
участках цепи с помощью векторной
диаграммы и получить формулу для
расчёта амплитуды напряжения:
U=U(R)2+(U(L)-U(C))2
Воспользовавшись законом Ома для
участка цепи и формулами
ёмкостного и индуктивного
сопротивлений, получить уравнение
для расчёта полного сопротивления
цепи переменного тока:
Z= R2+(wL-1/(wC))2
Зная величины w, L, C, R, подсчитать
значение φ.
Определив значение этой величины
также и по графикам на экране
осциллографа, сравнить два этих
результата. При расчётах можно
пользоваться калькулятором
Windows, встроенным в программу.
Вспомнить, в чём заключается
явление резонанса при вынужденных
колебаниях и каково условие его
возникновения? Обсудить вопрос в
парах или группах, уточнив
особенности данного явления в
электрической цепи переменного
тока.
4. Домашнее
задание.
Рефлексия.
Инструктирование учащихся,
помощь в самостоятельной работе
тем, кто испытывает затруднения,
координация работы групп,
подведение итогов на отдельных
этапах выполнения задания.
Всё падение напряжения
происходит на резисторе. В этом
можно убедиться с помощью
мультиметров, соединённых с
активным сопротивлением и с
клеммами генератора.
После устного обсуждения явления
резонанса в цепи переменного тока
предложить учащимся ознакомиться
с кратким изложением этого
вопроса в КОП и перенести рисунок
с резонансной кривой с экрана
мультимедиапроектора к себе в
тетрадь, указав различный вид
кривой для различных значений
активного сопротивления цепи.
§43, вопросы, задачи 1,2 (стр.156)
Комментирование домашнего
задания.
Вопросы учащимся: «Насколько
простым или сложным показался
вам изученный сегодня материал?
Что, на ваш взгляд, сложнее всего
для понимания? Насколько
эффективным было использование
компьютера на сегодняшнем уроке?
На отработке каких вопросов стоит
остановиться подробнее на
следующем уроке – уроке
закрепления и решения задач?
Спасибо за урок».
Получить формулу для расчёта
резонансной частоты:
w=√1/ LC
Определить значение резонансной
частоты для цепи с указанными выше
параметрами, воспользовавшись
калькулятором, встроенным в
программу, задать эту частоту
генератору переменного тока и
убедиться, что напряжения на
индуктивном и ёмкостном
сопротивлениях, колеблющиеся в
противофазе, имеют одинаковое
амплитудное значение и,
следовательно, гасят друг друга.
В этом случае форма колебаний
напряжения, снимаемого с зажимов
резистора, и форма напряжения всего
внешнего участка цепи будут
совпадать (рис. 4).
Объяснить, почему при увеличении
активного сопротивления вершина
резонансной кривой смещается вниз?
Перенести рисунок в тетрадь.
Запись дом. задания.
Оценка эффективности урока и
собственной работы на нём.
Высказывание личного мнения о
целесообразности использования
компьютера при изучении данной
темы.
Некоторые итоги проведения урока.
Как учитель, постоянно работающий в этом классе, могу отметить более высокий уровень
интереса к изучаемому материалу при использовании подобных цифровых
образовательных ресурсов и, что не менее важно, более высокое качество усвоения